# 物理层概述

# 物理层要实现的功能

• 在各种传输媒体上传输比特 0 和 1
• 给上层提供透明传输比特流的服务
• 数据链路层 “看不见”（也无需看见）物理层究竟使用的是什么方法来传输比特流。数据链路层只管 “享受” 物理层提供的比特流传输服务即可。

# 物理层接口特性

• 机械特性
  形状和尺寸
  引脚数目和排列
  固定和锁定装置
• 电气特性
  信号电压的范围
  阻抗匹配的情况
  传输速率
  距离限制
• 功能特性
  规定接口电缆的各条信号线的作用
• 过程特性
  规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系

1. 在物理层接口特性中，用于描述完成每种功能的事件发生顺序的是。

   • A. 机械特性
   • B. 功能特性
   • C. 过程特性
   • D. 电气特性

2. 下列选项中，不属于物理层接口规范定义范畴的是

   • A. 接口形状
   • B. 引脚功能
   • C. 物理地址
   • D. 信号电平

# 物理层下面的传输媒体

# 传输媒体的分类

# 导向型传输媒体

• 同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便。随着技术的发展和集线器的出现，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。
• 双绞线绞合的作用:
  减少相邻导线间的电磁干扰
  抵御部分来自外界的电磁干扰
• 光纤的优点
  通信容量非常大
  抗雷电和电磁干扰性能好
  传输损耗小，中继距离长
  无串音干扰，保密性好
  体积小，重量轻
• 光纤的缺点
  切割光纤需要较贵的专用设备
  目前光电接口还比较昂贵

# 非导向型传输媒体

# 传输方式

# 串行传输和并行传输

字面意思
并行昂贵，用在计算机内部
串行用在计算机之间

# 同步传输和异步传输

• 同步传输收发双方时钟同步的方法
  • 外同步：在收发双方之间增加一条时钟信号线。
  • 内同步：发送端将时钟信号编码到发送数据中一起发送（例如曼彻斯特编码）。
• 异步传输
  • 字节之间异步，即字节之间的时间间隔不固定。
  • 字节中的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间是相同的。

# 单向通信、双向交替通信和双向同时通信

单工指的是双向交替通信而不是单向通信

# 编码与调制

# 基本概念

• 码元：在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元

# 常用编码方式

• 双极性不归零编码需要给收发双方再添加一条时钟信号线以判断码元数量
  

• 在传输大量连续 1 或连续 0 的情况下，差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号的变化少。
• 在噪声干扰环境下，检测有无跳变比检测跳变方向更不容易出错，因此差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号更易于检测。
• 在传输介质接线错误导致高低电平翻转的情况下，差分曼彻斯特编码仍然有效。

1. 若下图为为 10BaseT 网卡接收到的信号波形，则该网卡收到的比特串是
   • A. 0011 0110
   • B. 1010 1101
   • C. 0101 0010
   • D. 1100 0101

2. 若下图为一段差分曼彻斯特编码信号波形，则其编码的二进制位串是
   • A. 1011 1001
   • B. 1101 0001
   • C. 0010 1110
   • D. 1011 0110

# 基本的带通调制方法和混合调制方法

通常情况下，载波的相位和振幅可以结合起来一起调制，例如正交振幅调制 QAM

# 信道的极限容量

# 造成信号失真的主要因素

• 传输速率越高，信号经过传输后的失真就越严重。 码元的传输速率
  • 信道上传输的数字信号，可以看做是多个频率的模拟信号进行多次叠加后形成的方波
  • 如果数字信号中的高频分量在传输时受到衰减甚至不能通过信道，则接收端接收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭，每一个码元所占的时间界限也不再明确。这样，在接收端接收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。
  • 如果信道的频带越宽，则能够通过的信号的高频分量就越多，那么码元的传输速率就可以更高，而不会导致码间串扰。
  • 然而，信道的频率带宽是有上限的，不可能无限大。因此，码元的传输速率也有上限
• 传输距离越远，信号经过传输后的失真就越严重。 信号的传输距离
• 噪声干扰越大，信号经过传输后的失真就越严重。 噪声干扰
• 传输媒体质量越差，信号经过传输后的失真就越严重。 传输媒体的质

# 奈氏准则

• 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud= 2W 码元 / 秒
• W：信道的频率带宽（单位为 Hz）
• Baud：波特，即码元 / 秒

1. 使用奈氏准则给出的公式，就可以根据信道的频率带宽，计算出信道的最高码元传输速率。
2. 只要码元传输速率不超过根据奈氏准则计算出的上限，就可以避免码间串扰。
3. 奈氏准则给出的是理想低通信道的最高码元传输速率，它和实际信道有较大的差别。因此，一个实际的信道所能传输的最高码元传输速率，要明显低于奈氏准则给出的上限值
4. 码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。
5. 当 1 个码元携带 n 比特的信息量时，波特率（码元 / 秒）转换成比特率（比特 / 秒）时，数值要乘以 n。

Q: 尽管奈氏准则限制了最高码元传输速率，但是只要采用技术更为复杂的信号调制方法，让码元可以携带更多的比特，岂不是可以无限制地提高信息的传输速率吗？
A: 回答是否定的。因为在实际的信道中会有噪声，噪声是随机产生的，其瞬时值有时会很大，这会影响接收端对码元的识别，并且噪声功率相对于信号功率越大，影响就越大

# 香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率 $C=Wlog_2(1+\frac{S}{N})$
C：信道的极限信息传输速率（单位为 b/s）
W：信道的频率带宽（单位为 Hz）
S：信道内所传信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位
信噪比 $(dB)=10log_10(\frac{S}{N})(dB)$

1. 信道的频率带宽 W 或信道中的信噪比 S/N 越大，信道的极限信息传输速率 C 就越高。

2. 实际信道不可能无限制地提高频率带宽 W 或信道中的信噪比 S/N。

3. 实际信道中能够达到的信息传输速率，要比香农公式给出的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰和信号衰减等，这些因素在香农公式中并未考虑

4. 在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为 3kHz，采用 4 个相位，每个相位具有 4 种振幅的 QAM 调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是

   • A. 12kbps
   • B. 24kbps
   • C. 48kbps
   • D. 96kbps

解答

1. 根据奈氏准则，该通信链路的最高码元传输速率 = 2 × 3k = 6k（码元 / 秒）
2. 采用 4 个相位，每个相位 4 种振幅的 QAM 调制技术，可以调制出 4 × 4 = 16 个不同的基本波形（码元）
   采用二进制对这 16 个不同的码元进行编码，需要使用 4 个比特（log216=4）。
   即每个码元可以携带的信息量为 4 个比特。
   综合 1 和 2 可知，该通信链路的最大数据传输速率 = 6k（码元 / 秒）× 4（比特 / 码元）= 24k（比特 / 秒）= 24kbps

2. 若某通信链路的数据传输速率为 2400bps，采用 4 相位调制，则该链路的波特率是

   • A. 600 波特
   • B. 1200 波特
   • C. 4800 波特
   • D. 9600 波特

3. 下列因素中，不会影响信道数据传输速率的是

   • A. 信噪比
   • B. 频率带宽
   • C. 调制速度
   • D. 信号传播速度

4. 若某链路的频率带宽为 8kHz，信噪比为 30dB，该链路实际数据传输速率约为理论最大数据传输速率的 50%，则该链路的实际数据传输速率约是

   • 8kbps
   • 20kbps
   • 40kbps
   • 80kbps

5. 若信道在无噪声情况下的极限数据传输速率不小于信噪比为 30dB 条件下的极限数据传输速率，则信号的状态数至少是

   • 4
   • 8
   • 16
   • 32

# 信道复用技术

# 信道复用技术的基本原理

• 复用（Multiplexing）就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。
• 当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽
• 尽管实现信道复用会增加通信成本（需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道），但如果复用的信道数量较大，还是比较划算的。

# 常见的信道复用技术

频分复用 FDM
时分复用 TDM
波分复用 WDM
码分复用 CDM

# 频分复用 FDM

频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源并行通信

# 时分复用 TDM

• 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带
• 各用户时隙周期性出现周期为 TDM 帧的长度

# 波分复用 WDM

光的频分复用 FDM

• 根据频分复用的设计思想，可在一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术
• 目前可以在一根光纤上复用 80 路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为密集波分复用 DWDM
• 铺设光缆的工程耗资巨大，应尽量在一根光缆中放入尽可能多的光纤，然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。
  例如，在一根光缆中放入 100 根速率为 2.5Gb/s 的光纤，对每根光纤采用 40 倍的密集波分复用，则这根光缆的总数据速率为（2.5Gb/s × 40）× 100 = 10000Gb/s = 10Tb/s。

# 码分复用 CDM

• 码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）常称为码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。
• 与 FDM 和 TDM 不同，CDMA 的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。
• CDMA 最初用于军事通信，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
• 随着技术的进步，CDMA 设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛用于民用的移动通信中。
• CDMA 将每个比特时间划分为 m 个更短的时间片，称为码片（Chip）。m 的取值通常为 64 或 128。
• CDMA 中的每个站点都被指派一个唯一的 m 比特码片序列（Chip Sequence）。
  • 某个站要发送比特 1，则发送它自己的 m 比特码片序列；
  • 某个站要发送比特 0，则发送它自己的 m 比特码片序列的反码
• 如果有两个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自所发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加。为了从信道中分离出每个站的信号，给每个站指派码片序列时，必须遵循以下规则：
  • 分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列。
  • 分配给每个站的码片序列必须相互正交，即各码片序列相应的码片向量之间的规格化內积为 0。
    令向量 A 表示站 A 的码片向量，向量 B 表示站 B 的码片向量。
    两个不同站 A 和 B 的码片序列相互正交，就是向量 A 与向量 B 的规格化內积为 0，如 $AB=\frac{1}{m} \displaystyle \sum^m_{i=1}A_iB_i=0$
    同时给多个发则发送比特串的和

1. 站点 A、B、C 通过 CDMA 共享链路，A、B、C 的码片序列分别是 (1,1,1,1)、(1,-1,1,-1) 和 (1,1,-1,-1)。若 C 从链路上收到的序列是 (2,0,2,0,0,-2,0,-2,0,2,0,2)，则 C 收到 A 发送的数据是
   • 000
   • 101
   • 110
   • 111